О применении микроакселерометров и гироскопов

Достоинства микроакселерометров и гироскопов (МА и МГ) в части весогабаритных параметров и стоимости – вне конкуренции. Но точность хуже, чем в традиционных решениях. Отсюда и области применения.

На рис. 41 приведён допустимый «уход» (нестабильность) гироскопов разных назначений с одной стороны и условия применения по перегрузкам – с другой.

Рис. 41. Области применения МА и МГ:

КА – космическая аппаратура; ИНК – инклинометры (измерение угловых отклонений по вертикали и азимуту); Авиа, Авто; УРС – управляемые реактивные снаряды; АУС – управляемые артиллерийские снаряды.

По точности МА и МГ лежат в верхней части этого графика (1-10 ^о/час). Отсюда ясно возможное использование.

Но возможно применение и в авиа-автотехнике, обычно в комбинации, например с GPS (Global Position System), для исключения кратковременных перерывов работы GPS или для кратковременных измерений (кресло космонавта – ускорение).

10. Субмикронные магнитные сенсоры

Общая задача, решаемая магнитным сенсором (МС) – зафиксировать магнитное поле и его изменение. Для решения этой задачи можно применить множество физических явлений, использующих эффекты влияния магнитного поля на какой либо процесс, например, эффект Холла. Существует обширная физическая и техническая литература по этим вопросам, существуют выпускаемые массово промышленностью приборы, предназначенные для устройств измерения параметров магнитного поля (магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы и пр.).

Остановимся только на одном вопросе, важном для устройств вычислительной техники в первую очередь – магнитные сенсоры в накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД), где достигаются предельные по габаритам и чувствительности параметры МС.

Исторически МС пришли в вычислительную технику из магнитофона. Там использовались «магнитные головки» при записи и воспроизведении информации на магнитной ленте или проволоке. Такой сенсор представлял собой трансформатор с малым магнитным зазором, поперек которого (или через который) проходила магнитная лента, содержащая слой ферромагнетика, который мог перемагничиваться под действием поля в зазоре (при записи) или индуцировать в сердечнике и обмотке головки сигнал, записанный на ленте, при воспроизведении записанной информации.

Существенные изменения в считывании информации (речь идет о сенсорах) произошли с появлением персональных компьютеров.

Стремление к уменьшению размеров головки для повышения плотности записи (уменьшению размера информационного «пятна» на носителе – магнитном диске), приводит к неприятностям при воспроизведении. Дело в том, что домены в материале головки хаотически движутся (колеблются). В большой по массе головке эти колебания усредняются, а в малой приводят к флюктуационному шуму, ограничивающему чувствительность головки и плотность записи.

Поэтому в состав современных НЖМД входят три главных элемента: диск и две головки – записывающая и считывающая. С записью проблем нет: можно компенсировать малые размеры увеличением мощности (тока) записи. Здесь шум «задавлен». Современная плотность записи в 150 Мбит/см² – не предел, ее можно увеличить еще по крайней мере на порядок. Но важно уметь быстро считывать слабый сигнал (слабый, потому что информационное пятно становится все меньше и меньше).

Важнейшим моментом, который позволяет решить эту задачу явился отказ от считывающей магнитной головки и переход к головкам с «магнитным сопротивлением» (МС).

Магнитным сопротивлением (МС) называют изменение удельного электрического сопротивления вещества под воздействием магнитного поля, это явление (в металлах) обнаружил британский физик У.Томсон (Лорд Кельвин) еще в 1857г., и оно (в металлах) практически ничтожно мало. В полупроводниках эффект заметно больше, а в последние годы обнаружены и организованны структуры, где он чрезвычайно велик.

Механизм обычного магнитного сопротивления достаточно прост. Рассмотрим его в полупроводнике. Дрейфовый ток в полупроводнике заставляет хаотично двигающиеся носители заряда упорядоченно смещаться под действием сил внешнего поля. Если поперечно к линиям тока направить магнитное поле, возникнут силы Лоренца, которые искривят траекторию движения носителей (отсюда – эффект Холла и даже – в сильных полях – вихревое движение носителей).

Гигантское магнитное сопротивление (ГМС)

В 1988г. П. Грюнберг и А. Фертом открыли эффект, названный гигантским магнитным сопротивлением (ГМС). За это открытие им в 2007 году им присудили Нобелевскую премию. Они предложили структуру, содержащую два слоя ферромагнитного материала (кобальт или железо), разделенных слоем немагнитного металла. Направление намагниченности одного ферромагнитного слоя поддерживается неизменным, а второго изменяется под действием внешнего магнитного поля (которое считывается). Когда направления намагниченности ферромагнитных слоев совпадают, ток в немагнитной пленке максимален, а когда они противоположны – минимален.

Эффект ГМС основан на сложном квантовом взаимодействии электронов проводимости, движущихся через кристаллическую решетку материала в магнитном поле. Его суть можно понять, рассматривая упрощенную модель (рис. 42).

Рис. 42. Схема движения электронов в структуре с ГМС

Структура содержит два слоя железа, разделенные слоем немагнитного хрома. Слои имеют нанометровую толщину. Поток электронов движется через структуру в поперечном направлении (слева направо). Известно, что электрическое сопротивление возникает в основном из-за рассеивания носителей заряда на атомах кристаллической решетки. Движение электронов в магнитных материалах имеет свои особенности. Электроны со спином, ориентированном вдоль направления намагниченности, рассеиваются слабее, чем электроны, имеющие другую ориентацию спинов. При прохождении левого слоя, имеющего значительную постоянную намагниченность, основная часть электронов поляризуется, т.е. их спины ориентируются в соответствии с направлением магнитного слоя. Далее они попадают в слой хрома, где внешнее поле практически отсутствует, и за счет температурных колебаний должна происходить деполяризация спинов. Чтобы этого не случилось, время прохождения электронов в центральном слое должно быть настолько малым, чтобы спин электронов за счет их энерции не успевал изменить свое положение. Поэтому, центральная пленка должна быть нанометровой толщины. Условия дальнейшего движения электронов зависят от магнитного состояния правого слоя (рис. 42). Если его намагниченность направлена, согласно с поляризацией спинов электронов, их движение будет происходить с малым рассеиванием и сопротивлением. Если намагниченность правой пленки отсутствует (или даже противоположна поляризации электронов) сопротивление потоку электронов будет большим. Намагниченность правой пленки определяется тем, в каком магнитном состоянии в данный момент находится информационное пятно на поверхности дорожки НЖМД, которое должно предельно близко (с магнитным зазором) пробегать мимо описанной структуры, расположенной на считывающей головке накопителя. Изменение сопротивления в структуре, несмотря на громкий эпитет (гигантское), не превышает 10%, что вполне достаточно для нормальной работы считывающего устройства.

Таким образом, сопротивление (и ток) через структуру определяется информацией, записанной в магнитной форме на поверхности НЖМД.

Устройства, использующие ГМС, являются одним из примеров массового применения современных технологий. Во-первых, в таких структурах успешно используются спиновые свойства электронов (спинтроника). Известные структуры спиновых транзисторов способны работать только при криогенных температурах в связи с необходимостью сохранения неизменной поляризации спинов. Головки считывания, использующие ГМС, имеют удовлетворительные параметры при нормальной температуре. Во-вторых, эффект можно применять только при наноразмерной толщине центрального слоя (нанотехнология), иначе, за счет тепловых флюктуаций, электроны потеряют согласованную ориентацию спинов, и эффект исчезнет.

Некоторые цифры по ГМС:

МС = 10%, плотность записи 125 Гбит/дюйм²,

сигнал/шум = 29; постоянная времени 0,1 нс,

минимальные магнитное поле 0,005 Тесла.

Исследования МС различных структур продолжались и продолжаются в направлении увеличения собственно МС, повышении быстродействия, снижении уровня шума и пр. Так, М. Жульер исследовал структуры, внешне похожие на рассмотренные, в которых центральная пленка заменена слоем диэлектрика настолько тонкого, что через него могут туннелировать электроны (так называемый туннельный магниторезистивный эффект). Для таких структур МС примерно вдвое больше, меньше уровень шума и необходимое магнитное поле. По рекламным сообщениям основанная на этом эффекте энергонезависимая магнитная память с произвольным доступом (MRAM) уже появилась на рынке.

Есть сообщения об еще более многообещающем ЭМС – экстраординарном магнитном сопротивлении (открыто в 1998г., автор С. Солин и др). Главное отличие – отсутствие магнитных слоев, отсюда ряд достоинств.

Принцип работы прост до примитивности.

Берется тонкий слой полупроводника, например, InSb (желательно с высокой подвижностью носителей) в форме полоски с контактами на краях. В пленку внедряют металлические диски, например, золота малых размеров. Проводимость золота примерно в 2000 раз выше, чем у полупроводника. Поэтому при подаче напряжения металлический диск искажает поле и форму силовых линий тока таким образом, что ток концентрируется в дисках, где его плотность выше (рис.43). Сопротивление системы достаточно мало за счет дисков, которые «шунтируют» полупроводник.

дд

Рис. 43. Распределение тока в пленке с проводящими дисками

При воздействии поперечного магнитного поля картина меняется (рис. 44). Носители заряда (электроны и дырки) вытесняются на края полоски и ток протекает, минуя проводящие диски. Сопротивление резко возрастает, ток падает. Реальные размеры дисков порядка сотен нанометров.

I

В

I

Рис. 44. Распределение носителей заряда и тока в пленке с проводящими дисками при наличии магнитного поля

Ожидаемые цифры:

МС>35% (при 300К); плотность записи >300 Гбит/дюйм²,

сигнал/шум 43; постоянная времени < 0,001 нс;

минимальное поле 0,05 Т.

Достоинства: быстродействие повышается примерно в 100 раз, совместимость с микроэлектронной интегральной технологией.

Недостатки: структуры не работают при повышенных температурах (выше комнатной), нелинейность динамических характеристик (сигнал пропорционален квадрату магнитного поля); коммерческого товара пока нет.

Есть и еще более эффективные, но пока не подтвержденные идеи, например баллистическое МС (БМС) - 1999г. Плотность записи > 1000 Гбит/дюйм².

11. Микросенсоры расхода (газа, жидкости)

Расходуемый газ (жидкость) перемещается по трубе. Для оценки количества проходящего газа микросистемными средствами не пригодны турбины, поршни и прочие устройства, используемые при больших расходах. Чаще всего в МСТ для определения расхода используется измерение отклонения температуры датчика, содержащего нагревательный элемент, которая происходит за счет изменения интенсивности охлаждения при изменении скорости газового потока. Другой прием - измерение перепада давления на некотором участке (базе) в трубе. На рис. 45 показано поперечное сечение микросенсора расхода, находящегося в трубке диаметром 4 мм.

Рис. 45. Поперечное сечение микросенсора с каналом газового потока:

1 - резисторы; 2 - обогреватель; 3 - радиатор и элемент канала газового

потока; 4- газовый поток на входе в трубку; 5 - стенка трубки

В сенсоре находится нагреватель (2) и две пары терморезисторов (1), расположенных слева и справа от нагревателя и включенных в схему моста. Левый резистор охлаждается холодным набегающим на нагреватель датчика потоком, а правый нагревается потоком, подогретым при прохождении над нагревателем. В итоге сигнал, снимаемый с моста пропорционален разности температур левого и правого резисторов, которая зависит от интенсивности охлаждения, т.е. от скорости потока. Радиатор (3) обеспечивает оптимальное распределение температуры вдоль мембраны с резисторами и формирует канал газового потока внутри сенсора.

Некоторые технические сведения:

Датчик изготовлен на подложке из монокристаллического кремния. Рабочая часть (мембрана) имеет размеры 2·1,5мм. Питание моста 3В, потребляемая мощность до 8МВт. Перегрев нагревателя 55°С. Чувствительность соответствует выходному напряжению 0,7В при скорости потока 2,7м/с.

Другой вариант подобного датчика, работающего по аналогичному принципу, приведен на рис. 46.

Рис. 46. Чувствительные элементы КМОП датчиков расхода газового потока:

а) графики распределения температуры вдоль продольной оси чувствительных элементов: 1 - при наличии газового потока; 2 -без газового потока.

б) упрощенное изображение чувствительных элементов КМОП датчиков с мостовой микроструктурой: 3 - направление газового потока; 4 - нагреватель; 5 – термобатарея.

в) с воздушным зазором: 6 - кремний; 7 - диэлектрические слои; 8 - поликремний; 9 – металл.

Отличие здесь в том, что для измерения перепада температур (слева и справа от нагревателя) используют термопары, использующие контакт поликремния и алюминия (5).

На рис. 46а представлено распределение температуры вдоль датчика без газового потока (2) и при его наличии (1): распределение смещается вправо и возникает разность температур на “горячих” слоях термопар (в точках d и u), которая вызывает разные термоЭДС. Эти разности пропорциональны расходу газа:

∆U=Ud-Uu=kN(Td-Tu)

Разница вариантов б и в – чисто конструктивная: во втором отсутствует диэлектрический мостик между нагревателем и горячими слоями термопары (термоизоляция - воздушная). Во втором случае (в) чувствительность получилась вдвое выше, чем в первом (б).

Один из вариантов подачи газа к такому датчику представлены на рис. 47.

Рис. 47. Поперечное сечение устройства для корпусирования чувствительных элементов датчиков расхода газа:

1 - ввод газа; 2 - вывод газа; 3 - акриловый пласти­ковый блок с каналом потока; 4 - плата основания.

Вариант измерений расхода с использованием датчика давления (измерение перепада давления на некоторой базе L вдоль трубы) достаточно очевиден и обычно используется при больших расходах (рис. 48).

N

Р₂ Р₁

L

Рис. 48. Измерение расхода газа по перепаду давления

N = K(p₂-p₁).

Дата добавления: 2014-01-05